大采高综采覆岩裂隙演化特征三维实验研究

上覆岩层裂隙区域是瓦斯运移储集通道,为准确得到大采高综采条件下裂隙演化特征,以山西天池煤矿202工作面为原型搭建了三维物理相似模拟模型,采用声发射监测系统、三维模型剖切等方法得到覆岩裂隙发育过程及裂隙分布特征。结果表明,202工作面基本顶初次垮落步距为36 m,周期来压步距为16～27 m,周期来压平均步距18 m;采用物理模型剖切的方式得到采动覆岩裂隙高度及三维分布形态,垮落带高度15 m,是采高2.9倍,裂隙带高度64 m,是采高12.5倍;覆岩垮落裂隙三维形态为"椭抛体"。在煤层倾向及走向上,覆岩整体下沉趋势为"凹"型,距离煤层底板10 m处上覆岩层下沉量最大为3.5 m,越往上下沉量越小,岩层下沉呈梯形分布;在走向及倾向方向裂隙密度均呈现"双驼峰"状,倾向裂隙区位于工作面0～30 m与90～120 m范围内,走向裂隙区位于切眼侧0～30 m与停采线侧160～200 m范围内,裂隙区裂隙密度达5条/m,中部压实区裂隙密度在1～2条/m之间,回风巷侧裂隙区为高位巷布置最佳区域,能够有效提高瓦斯抽采效率,对工作面及采空区瓦斯治理具有重要意义。     

涡扇发动机涡轮后内外流场及壁面温度场数值研究

基于航空发动机红外辐射特性数值仿真的需求,建立涡扇发动机部件的几何模型,利用数值模拟结合实验验证的方法对涡轮后内外流场及壁面温度场进行研究。比较模型与常用模型的计算结果可得出:受发动机部件几何型面及安装特点影响,发动机喷管前的内部流场及壁面温度场都成明显的周期分布。壁面温度分布形态主要受波瓣混合器影响,但加力部件使高温区域面积减小,使壁面温度分布更快进入轴对称状态。加力部件降低了发动机内部的速度分布均匀度;同时也使截面参数分布更均匀。当采用环形混合器时,流向截面上流向涡尺寸大、强度小、温度掺混情况差。     

煤层倾角变化对采动覆岩变形规律影响的相似模拟试验研究

为研究工作面开采后顶板变形破坏随煤层倾角变化的规律,以南桐矿区不同倾角的同一煤层开采为工程研究背景,分别选取缓倾斜、倾斜、急倾斜三种煤层倾角进行煤层开采顶板变形破坏规律的相似模拟试验。对相似模型开挖前后图像进行数字散斑相关法处理,得到相似模型煤层开采后顶板覆岩位移及平面总应变等值线云图。通过综合分析顶板位移及平面总应变可知：上覆岩层变形的破坏程度总体上是随煤层倾角的增加呈减小趋势,其下沉剧烈区域和膨胀变形破坏剧烈区域呈逐渐向工作面上山方向发展的趋势;根据顶板位移云图和平面总应变云图中的等值线极值区域特征,确定了缓倾斜、倾斜煤层开采垮落带、裂隙带高度和偏心程度等参数,并根据"压力拱"理论确定了急倾斜煤层开采裂隙带范围;随煤层倾角增大"两带"高度总体上呈减小趋势,且"两带"偏心方向呈向上山方向增加的趋势。     

自由淹没气体旋转射流速度场实验研究

为研究自由淹没气体旋转射流速度场规律,采用五孔探针对自行设计的旋流器形成的流场进行定量实验研究。测量4种不同旋流强度下的流场,计算得到了各分速度在不同截面上的量纲一分布图,并进行分析研究。结果证实:轴向速度分布在旋流器出口附近区域与旋流强度有关,在与射流轴心垂直的截面上呈"M"形分布,逐渐发展成"马鞍"状、正态分布,直至衰减到零;切向速度呈中心对称斜"S"状分布,不同截面上的最大值大致出现在同一量纲一半径处;径向速度在半径方向呈"~"形分布,比轴向速度和切向速度小1个数量级;轴向速度和切向速度沿轴向逐渐衰减,衰减随旋流强度增大而增快。     

基于CT图像的沥青混合料剪切疲劳破坏

利用工业CT得到沥青混合料疲劳剪切破坏前后的微观图像,再运用数字图像处理技术分析破坏前后不同试件内部各层面孔隙率、CT数的变化,得到损伤变量的变化规律,并进行了损伤分形演化分析。研究结果表明,试件剪切破坏多发生在其初始空隙分布较密集处,空隙率越大处破坏越严重,CT数的变化与空隙率变化规律相对应;损伤越严重,测算出的损伤变量也越大,损伤变量呈"中间大、两头小"的趋势;沥青混合料剪切疲劳破坏前后过程是分形的。     

采空区上覆岩体裂隙分形规律的实验研究

以山西省霍州矿务局辛置煤矿2204采掘工作面为原型,利用相似材料模拟实验模拟采空区上覆岩体裂隙的形成过程扣分布状态,运用分形几何理论研究采空区冒落带、裂隙带和弯沉带岩体裂隙的分形规律。实验结果表明：上覆岩体裂隙分形维数随工作面推进经历了由小→大→小并趋于稳定的变化过程,开采结束且岩层基本稳定之后,其分形雏数为采动前分维值的0．5％-5％,且模型采空区边缘地带“三带”的分形维数值较采空区中心的分形维数值大。     

沿海地区综合管廊综合舱通风除湿数值模拟

基于沿海地区综合管廊内部湿度较大,对管线及支架造成不利影响的现象,本文以平潭综合管廊工程为依托,采用计算流体力学软件Fluent建立三维数值模型,模拟综合舱通风过程,分析通风对流下的速度场分布及温、湿度场变化情况。研究表明：通风作用下,温、湿度较快发生变化的位置出现在速度较大的地方;距进风口100-180m处的各截面温、湿度场在变化过程中存在分层现象,应重点关注下层区域的温、湿度指标;通风是有效的除湿手段,但随着通风距离的增大,通风除湿效果呈减弱趋势,通风分区不宜过长。本文的研究对综合管廊的通风实际运营管理有一定的实际应用价值。     

常村煤矿2103工作面高位瓦斯抽放巷设计参数模拟研究

常村矿470水平单一煤层工作面巷道采用"两进两回"设计,煤量损失大,瓦斯抽放效率低。运用FLAC3D模拟回采过程中上覆岩层破坏规律,确定了关键层,对3#煤层上覆岩层的裂隙发育与分布具有重要作用;运用UDEC模拟回采过程中上覆岩层裂隙发育及分布规律,得到工作面走向方向裂隙发育区域和竖直方向裂隙发育区域。根据现场对2103工作面的临近工作面裂隙带的测试结果,拟合出了3#煤层上覆岩层冒落带、裂隙发育带与裂隙带竖向高度与工作面走向的关系曲线;根据FLAC3D,UDEC与现场测试结果,确定了2103工作面高位瓦斯抽放巷的设计参数。     

震动作用下采空区上方地基稳定性

为深入探讨废弃采空区在震动作用下二次活化机理及其变形破坏规律,通过数值模拟的方法分别探讨煤层开挖相对稳定后,上覆围岩跨落变形后无离层和存在离层两种情况在地震波的作用下,废弃采空区上覆围岩但稳定性.模拟结果表明:采空区在经过地震作用下,上覆岩层应力发生了重新分布.在采空区两边界出现应力集中现象.离层模型在应力和位移上明显比无离层模型要大的多,说明废弃采空区离层上覆岩层受到地震力扰动后更容易发生"活化",但离层模型和无离层模型在地震波作用下各观测点的应力值随时间变化而变化其动应力时程表现为波动曲线其波动周期与输入加速度的周期一致,顶板动应力来说其的分布规律与重力静力作用下的应力分布规律具有很多相似之处.     

采空区覆岩运动规律相似材料模拟试验研究

以山东某矿的煤层开采为研究背景,为研究其采空区上覆岩层的垮落形态及沉降变形,结合实际岩层的物理力学性质,设计相似材料模拟试验,描述试验模型采空区上覆岩层的垮落和破坏特征,并通过布置下沉测点来观测其覆岩的沉降变形,最后利用flac3d建立数值模型加以校验,结果表明:采空区上覆岩层在煤岩开采后,形成"三带"结构,自下而上分别为冒落带,裂隙带和弯曲下沉带;试验模型采空区上覆测点的下沉曲线呈近似对称的凹曲线,这与数值模拟结果相一致;相似材料模拟试验和数值模拟都能够较好反映采空区覆岩下沉变形规律;试验结果与数值模拟结果合理有效,可以为研究覆岩沉降相关问题提供试验参考。     

覆岩采动裂隙演化形态的相似材料模拟实验

煤层开采后,覆岩采动裂隙演化规律及其形态特征与卸压瓦斯抽采密切相关。通过沿工作面走向及倾向相似材料模拟实验,得到覆岩采动破断裂隙的产生、发展为三阶段演化规律,形态呈"M"状。离层裂隙呈两大阶段、两个层位、三个区间的演化特征,即在主关键层触矸前,分布形态在垮落的最上位亚关键层上部,呈倒"V"状,下部呈"M"状;当主关键层触矸后,主关键层下部离层分布形态呈"M"状,上部少有离层发育。基于此,得到了覆岩采动裂隙演化形态与特征,提出了"采动裂隙圆角矩形梯台带"工程简化模型,为确定卸压瓦斯抽采钻孔参数提供了一定理论依据。     

大采空区覆岩破坏高度测控试验分析

确定采空区上覆岩层破坏高度,对"三下"煤层安全、高效开采具有重要意义。利用彩色钻孔电视系统对覆岩破坏高度、现场钻孔冲洗液漏失量和钻孔水位变化等进行观测与分析,摸清煤层开采后大采空区上覆岩层内垮落带和导水裂缝带的发育高度及其分布形态和特点。这对安全、高效开采和大采空区围岩稳定性有效控制和定量化预测预报提供依据。     

软岩公路隧道紧急停车带变截面段变形特征及加固方法

软岩公路隧道紧急停车带变截面段变形较正常段往往较为显著,易发生变形侵限,是软岩公路隧道施工的难点。以渭源至武都高速公路木寨岭隧道为依托,总结了隧道紧急停车带变截面段的变形特征,分析了其变形破坏原因;在此基础上,提出采用小孔径预应力锚索对变截面段围岩进行加固,利用FLAC3D有限差分软件对变截面段的开挖施工过程进行模拟,对比了不同小孔径预应力锚索加固方案的变形控制效果,并对选定方案进行了现场试验验证。研究结果表明：隧道由紧急停车道向正常段施工时,正常段距离紧急停车带端头约15m范围内一侧的围岩变形明显大于另一侧,位移最大值出现在上台阶拱脚,且出现了喷射混凝土开裂、钢架扭曲和局部变形侵限现象;紧急停车带变截面一侧围岩受到了爆破施工的多次扰动,同时紧急停车带端头所受支护的约束作用较弱,加上地下水对围岩的软化作用,是变截面一侧围岩产生大变形的主要原因;采用纵向预应力锚索+环向预应力锚索对紧急停车带端头附近围岩进行加固,可以有效提高变截面一侧围岩整体稳定性,减小变截面段围岩非对称变形。研究成果可为类似软岩公路隧道紧急停车带变截面段的变形控制提供重要借鉴。     

电磁搅拌钢包内气泡聚并破裂行为

结合气液两相流欧拉模型与考虑气泡破碎聚并的颗粒群平衡模型,研究了电磁搅拌下底吹钢包内流场分布及气泡尺寸分布.结果表明:搅拌器向上搅拌时钢包内形成一个大循环流场,而向下搅拌时钢包内形成了一个大的回流区和一个小的回流区.钢包内气泡分布为气液两相区中心区域气泡直径最大,气液两相区边界处直径较小,且从气液两相区中心到气液边界气泡直径逐渐减小.电流越大,气液两相区域在垂直方向上偏转程度越大,而且电流越大,气液两相区中心大气泡分布区域也越大.电磁搅拌器向下搅拌时气液两相中心区域大气泡直径分布区域小于向上搅拌.大气泡偏转程度小于小气泡,大气泡偏向钢包中心轴线一侧.     

通过小试样的控制冷却模拟大截面模块淬火硬度的分布

采用有限差分数值解法,计算了4Cr2MoVNi钢400mm×400mm×400mm大截面模块淬火过程的温度场;设计制造了一套冷却模拟装置,该装置可精确模拟大截面钢件淬火过程内部任意指定处的冷却过程,并以小试样冷却模拟计算获得的大模块内部指定处的温度随时间的变化曲线;通过对小试样硬度的测定,实现对大截面模块内部淬火硬度分布的预测·这种预测大截面钢件淬火过程内部淬火硬度分布的方法精确、适用面宽、简便易行·     

超大断面隧道变截面衬砌台车应力特征

以京张高铁八达岭长城站为工程依托,对超大断面隧道变截面衬砌台车的动态、静态应力进行研究,分析了截面变化对台车不同结构应力的影响规律。通过数值模拟分析台车结构的静态应力特征,利用现场监测分析台车结构的动态应力特征以及变截面对台车结构应力变化的影响规律。结果表明:台车结构静态应力和位移存在不均匀分布现象,各结构呈多变特征,部分结构出现明显的应力集中;浇筑过程中,应力呈现外侧大内部小的规律;台车浇筑区域位于支撑结构上方时应力最大,混凝土凝固过程中台车结构应力基本不变;台车截面由小至大变化时,各结构应力增大,其中拱肩丝杆是应力变化最大的构件。     

格宾网加筋土强度和变形特性的三维离散元细观模拟

为揭示格宾网加筋土强度和变形特性的细观力学本质,利用PFC3D三维离散元计算平台的FISH语言编写数值伺服程序实现大三轴试验环境和土颗粒模型生成算法,模拟大三轴素土试样应力-应变宏观响应校正土颗粒细观参数;然后,引入平行黏结构造格宾网颗粒流模型,通过模拟其室内拉伸试验校正格宾网模型细观参数;在此基础上,建立格宾网加筋土大三轴试样的三维颗粒数值模型模拟格宾网加筋土应力-应变关系,揭示格宾网加筋土颗粒之间接触力和内部剪切位移场的渐进发展规律。研究结果表明:格宾网加筋土颗粒模型数值试验能对其力学机理做出定量和定性预测;在试样两端和两层格宾网之间,分别形成"八"字形和""形倾斜剪切带;随着试样围压增加,试样内部剪切带范围缩小;加筋层数较少时,剪切滑移带范围较大;土颗粒接触力在整个格宾网截面内分布较均匀,在两层格宾网之间集中到试样截面的中部。     

水平管外液膜液滴作用下的蒸汽流动特性

为研究水平管外液体和气体相互作用下的两相流动特性,选择蒸发器中广泛应用的转角正方形排列管束为物理模型,采用流体体积函数(VOF)方法追踪气液界面,提出液体在管间以液滴形式存在的模型假设,结合管间空隙率数据来初始化水平管外液膜厚度和液滴直径,模拟蒸汽在管外液膜和管间液滴作用下的流动过程,分析气液两相的压力场和速度场.结果表明:小喷淋密度下,进出口压降计算值和实验吻合良好;在计算域内,下部区域压力值高于上部区域,且最小压力分布在液滴附近的右下侧区域;压力分布的不均会造成液滴在下落过程中的变形.     

煤层开采过程中覆岩移动规律的UDEC数值模拟

为研究煤层开采过程中覆岩移动规律.通过UDEC软件建立背景工程的数值计算模型,分析煤层开采过程中覆岩运动规律和裂隙演化的时空特征.通过计算得出以下结论:1煤层开采对顶板岩层位移发展影响明显,上覆岩梁的应力成拱形分布,致使上覆岩梁内产生裂隙扩展,岩梁断裂,并呈梯形分布;2随着工作面推进过程,采空区空间持续增大,上覆岩层裂隙持续贯通,顶板岩梁断裂坍塌充填采空区.随着工作过程中,岩层之间开始发生离层,离层次序是自下而上,离层主要发生在强度不同的层间面上;3采场上覆岩层裂隙带高度随工作面的推进不断发展,针对不同地质条件,但当工作面推进一定距离时,裂隙带高度基本不变.同时,在裂隙带变化过程中可以采用指数曲线进行拟合.但指数拟合曲线仅仅模拟的是裂隙带整体变化趋势,不能完全通过拟合曲线得出不同工作断面裂隙带的高度.     

倾斜煤层开采离层空间发育特征的数值分析

为了获得倾斜煤层采动覆岩移动及离层空间分布特征,考虑覆岩的碎胀性,根据抗弯刚度的不同在相应的界面设置接触单元,应用数值模拟手段,获得了不同倾角的倾斜煤层开采上覆岩层破坏、移动与变形及离层的发展与分布的时空规律。研究表明:垮落带、导水裂缝带范围的最终形态呈上大下小的抛物线拱形形态,倾角越大,差值越大。采空区上方的离层空间的最大离层差值偏向于采空区的右上方,上下位岩层除了竖向离层外,还会产生水平错动。由于抗弯刚度的差异,二、三离层的体积比较小,第四离层位置的离层空间体积最大,且第四离层距离煤层140 m左右,认为是可充填的离层空间。